冬奧會(huì)賽場(chǎng)上，花樣滑冰和速度滑冰因其俱佳的觀賞性頻頻沖上網(wǎng)絡(luò)熱搜。花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員為什么穿著溜冰鞋還可以做這么多高難度的動(dòng)作？他們轉(zhuǎn)圈圈后為什么不會(huì)頭暈？哪些物理常識(shí)可以幫助他們提高訓(xùn)練成績(jī)……面對(duì)網(wǎng)友們拋出的眾多問(wèn)題，本期“好奇心實(shí)驗(yàn)室”，記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家。
問(wèn)題一：花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員可以在冰面上一直轉(zhuǎn)圈圈并做出高難度動(dòng)作，而普通人為什么轉(zhuǎn)幾圈都會(huì)暈?zāi)兀?/p>
南醫(yī)大附屬明基醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科副主任醫(yī)師黃潔告訴記者，首先，需要了解我們?cè)谵D(zhuǎn)圈圈時(shí)為什么會(huì)頭暈。人體通過(guò)視覺(jué)、本體覺(jué)和內(nèi)耳前庭器官分別將軀體位置及運(yùn)動(dòng)的信息經(jīng)感覺(jué)神經(jīng)傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，整合后做出位置的判斷，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳出，調(diào)整身體和眼球的位置，維持平衡和視物的穩(wěn)定。前庭功能正常的人在做簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)有眩暈，但當(dāng)這種刺激過(guò)強(qiáng)，超出前庭系統(tǒng)處理能力時(shí)，機(jī)體就會(huì)感覺(jué)眩暈，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)有惡心、嘔吐等不適。但是，對(duì)于外周前庭功能損害、前庭功能下降的患者來(lái)說(shuō)，由于前庭系統(tǒng)處理運(yùn)動(dòng)信息能力不足，無(wú)論靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，他們都有可能感覺(jué)周?chē)矬w旋轉(zhuǎn)或者自身不穩(wěn)感，無(wú)法穩(wěn)定注視外周目標(biāo)甚至跌倒。
對(duì)于花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員來(lái)講，需要完成快速旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)中跳躍等高難度動(dòng)作。比如羽生結(jié)弦挑戰(zhàn)的4A動(dòng)作，也就是阿克塞爾四周跳，就需要在起跳至落地之間不足1秒的時(shí)間內(nèi)，完成4周跳，并且以自身5-8倍體重的力量著地。在這個(gè)過(guò)程中，需要運(yùn)動(dòng)員對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)很好控制。這個(gè)動(dòng)作的難點(diǎn)是，除了需要強(qiáng)大的肌肉骨骼系統(tǒng)支撐外，前庭系統(tǒng)的訓(xùn)練尤其重要。
眼球震顫是在肢體運(yùn)動(dòng)或視物追蹤等情況下維持視物穩(wěn)定的常見(jiàn)的眼球運(yùn)動(dòng)，比如旋轉(zhuǎn)中眼震、旋轉(zhuǎn)后眼震、視動(dòng)性眼震、視動(dòng)后眼震。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員需要做更高難度的動(dòng)作時(shí)，這時(shí)候誘發(fā)出的眼球運(yùn)動(dòng)就屬于前庭刺激誘發(fā)的眼震，這些都屬于生理性眼震。運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)上優(yōu)美的身姿往往來(lái)源于自幼長(zhǎng)期的訓(xùn)練，面對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)、結(jié)合身體姿勢(shì)進(jìn)行變速運(yùn)動(dòng)時(shí)也有一些訓(xùn)練小技巧，這都屬于前庭習(xí)服。
何為前庭習(xí)服？黃潔解釋?zhuān)巴チ?xí)服指前庭系統(tǒng)受到一系列相同的刺激后，所表現(xiàn)出來(lái)的反應(yīng)性逐漸降低的現(xiàn)象。人的前庭感受器官共有2個(gè)，分別位于左右內(nèi)耳內(nèi)，且潛力非常大，即使單側(cè)前庭感受器官受損，另一側(cè)健康的前庭感受器官也具有強(qiáng)大代償能力，一段時(shí)間后可以完全恢復(fù)平衡的感覺(jué)，如果再加以訓(xùn)練，前庭功能則會(huì)恢復(fù)得更快更好。
需要進(jìn)行相關(guān)前庭功能訓(xùn)練的還有飛行員或者宇航員。他們面對(duì)特殊的飛行需要和重力環(huán)境，要求會(huì)更高，根據(jù)需要去訓(xùn)練，達(dá)到飛行任務(wù)要求才行。人們的前庭功能本身?xiàng)l件不一樣，就像高矮胖瘦，個(gè)體在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到的功能狀態(tài)也不一樣，所以需要進(jìn)行篩選后再訓(xùn)練。
問(wèn)題二：為什么冰上運(yùn)動(dòng)員穿上冰鞋可以在冰面上進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)或完成高難度動(dòng)作，而有些動(dòng)作我們穿著普通鞋子在水泥地面上卻難以實(shí)現(xiàn)？
東南大學(xué)物理學(xué)院董帥教授表示，滑冰運(yùn)動(dòng)員能在冰面上高速運(yùn)動(dòng)得益于較小的摩擦阻力。一方面，冰面相較于普通路面更加光滑；另一方面，裝在冰鞋底下冰刀底面積很小，所以作用在冰面上的壓強(qiáng)很大(壓強(qiáng)等于壓力除以面積，壓力近似等于運(yùn)動(dòng)員重量加上蹬地的力)。在冰刀與冰面的界面微小區(qū)域上，壓力會(huì)將冰融化成水(水的密度比冰低，因此高壓下冰會(huì)融化)，使冰刀與冰之間的摩擦變成濕摩擦，摩擦力降得更低。這就使得運(yùn)動(dòng)員在使用正確的蹬冰姿勢(shì)時(shí)，只需要更小的力就能獲得比在地面上更大的加速度。而普通的鞋子底面積大，無(wú)法產(chǎn)生高壓融化水。
從物理學(xué)上看，花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員在完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)需要有角動(dòng)量。角動(dòng)量越大，轉(zhuǎn)得越快，才能在落地之前完成更多周次的旋轉(zhuǎn)。而角動(dòng)量乘上轉(zhuǎn)動(dòng)半徑等于線速度，所以轉(zhuǎn)動(dòng)之前需要首先獲得較高的水平速度，然后通過(guò)冰刀蹬地，獲得較大的轉(zhuǎn)矩，將水平速度轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)速度。普通地面一般很難達(dá)到如此大的水平速度，而且較大的轉(zhuǎn)矩對(duì)蹬地時(shí)發(fā)力也有很高要求，冰刀長(zhǎng)度比腳要長(zhǎng)，更有利于獲得轉(zhuǎn)矩。
拋舉過(guò)程需要兩人具有幾乎一樣的速度，在普通地面如輪滑可能可以實(shí)現(xiàn)，但持奔跑或者走路速度時(shí)，人身體前后擺動(dòng)幅度過(guò)大，難以操作。
普通地面因?yàn)樽枇Ρ容^大，落地瞬間水平速度會(huì)有劇烈的減速，不容易平穩(wěn)落地，容易磕倒。而冰面阻力小，落地瞬間可以大致保持水平速度，容易穩(wěn)定。當(dāng)然這個(gè)也需要運(yùn)動(dòng)員反復(fù)練習(xí)。
問(wèn)題三：哪些物理常識(shí)可以幫助花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員提高技能？
董帥告訴記者，在花樣滑冰運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)完成空中多周跳時(shí)，運(yùn)動(dòng)員會(huì)離開(kāi)地面，開(kāi)始做斜拋運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)的圈數(shù)主要決定于兩方面因素，一是滯空時(shí)間，二是轉(zhuǎn)動(dòng)速度。滯空時(shí)間由豎直速度決定，而轉(zhuǎn)動(dòng)速度與水平運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。想轉(zhuǎn)更多圈數(shù)，需要有更大的轉(zhuǎn)矩將水平速度轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)速度，且離地轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要盡量收縮身體半徑，可以提高轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在總速度一定的情況下，合理分配豎直速度和水平速度，并不是跳得越高轉(zhuǎn)的圈數(shù)就一定越多。
